CN100465596C - 在高分辨率测量系统中测量波长变化的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在高分辨率测量系统中测量波长变化的方法和设备。两个光束以不同角度穿过基本相同的滤光器，产生两个不同的与功率和/或温度变化类似地动作的输出信号。两个光束经过同一滤光器的两个部分进行滤光。可在滤光器上安装衍射光栅，用来将入射辐射分裂成第一和第二光束。然后光束以不同的角度穿过滤光器，产生两个输出信号，可结合用来补偿共模误差和功率变化。可获得极小的尺寸和高分辨率。还可利用一个或多个检测器。基于直接的温度测量或基于由经过具有与前两个光束使用的滤光器不同温度依存性的滤光器的其它两个光束导出的输出，也可补偿滤光器的温度灵敏度。

Description

在高分辨率测量系统中测量波长变化的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种感测装置，特别涉及一种用于测量与辐射源的波长和/或频率相关的值的方法和设备。本发明特别适于监测在高分辨率测量系统(例如高分辨率干涉编码器等)中使用的信号源。

背景技术

某些测量应用要求在相对小的波长范围内对辐射源的波长或频率或相关变化的测量达到非常高的分辨率。例子包括高分辨率干涉式编码器、各种非接触式表面光度传感器、电信行业中的应用和常规实验室应用。此外对于许多应用，必须在小空间内、以低成本实施测量。通常用于波长测量的一些方法包括波谱仪、干涉仪和透射式滤光器。

图1A示出利用光带通滤光器来测量波长偏移的简单测量系统10。测量系统10包括入射光束12、带通滤光器14、经滤光的光束16和功率检测器18。入射光束12经滤光器14滤光后产生经滤光的光束16，在该应用中并不严格要求使用带通滤光器，可使用任何一种具有不可忽视的波长传播依存性的光学器件，经滤光的光束16的功率由功率检测器18检测。

图1B示出带通滤光器14的透射波谱。滤光器14的特征在于具有中心波长λ0和它的半最大值全宽(FWHM)波长△λ。在滤光器曲线20上标出点P，波长为X1，透光率为Y1。可以看出点P位于滤光器曲线20的陡坡部分，这样通过测量透射功率的变化，如图1A中的功率检测器18所做的，可以检测到波长的微小变化。通过这种方式，一旦建立了滤光器曲线20，图1A和1B中的测量系统10就可以为基于透射功率或强度的波长偏移测定提供一种简单的结构。

图2示出测量系统30，它比附图1A中的测量系统10具有一定的进步。如图2所示，测量系统30包括分束器34、滤光器38、功率检测器42和46。入射光束32被分束器34分裂成两个光束36和44，光束36经滤光器38滤光产生经滤光的光束40，经滤光的光束40的功率由功率检测器42检测，光束44的功率由功率检测器46检测，通过利用功率检测器42和46的输出计算已滤过与未滤光的光束功率的比值，入射功率的偏差作为误差源名义上被消除。换句话说，与图1A中不能区分波长偏移和功率源波动的测量系统10相比，如图2所示的测量系统30使用不受入射功率偏离影响的功率比值信号，从而更可靠地辨别波长偏移。

图3A示出测量系统50，它提供波长偏移测量的一种变型结构。与测量系统30相似，测量系统50利用两个功率检测器的比值来消除入射功率对第一级的依存性。测量系统50包括分束器54、滤光器58和66、功率检测器62和70。入射光束52被分束器54分裂成光束56和64，光束56通过滤光器58滤光产生经滤光的光束60。经滤光的光束60的功率由功率检测器62检测，光束64通过滤光器66滤光产生经滤光的光束68。经滤光的光束68的功率由功率检测器70检测。

图3B分别示出对应于滤光器58和66的两个滤光器曲线80和82。如图3B所示，滤光器曲线82与滤光器曲线80相交，换句话说，滤光器66的透射波谱与滤光器58的透射波谱相交。在滤光器曲线80上标出点P1，波长为X1，透光功率为Y2；在滤光器曲线82上标出点P2，波长为X1，透光功率为Y1。可以意识到，从波长X1开始随着波长的增大，滤光器曲线80上的透光功率减小，而滤光器曲线82上的透光功率增加。这样，对于由滤光器58和66共享的波长透射波谱上的特定波长，对应于滤光器66的透光功率Y1与对应于滤光器58的透光功率Y2之间的比值是唯一的。通过利用功率检测器62和70的输出计算经滤光的光束功率的比值，可以大大消除入射功率的偏差。

一个现有技术的专利是美国专利No.4308456，它提出现有技术中的一种测量系统。专利No.4308456中描述了一种利用两个滤光器和两个光电二极管的系统，这里，在带宽575-590nm范围内，以大体上线性的关系，第一滤光器的输出随着波长增大而减小，第二滤光器的输出随着波长增大而增加。在一个实施例中，利用分束器将入射光束分裂成两个光束，然后每个光束分别经过各自的滤光器到达各自的功率检测器，得到第一和第二输出的比值，并与对应于预选的已知频率的预定值比较，提供对应于光线频率的输出。该发明的目的在于提供光线颜色的正确测量方法。

另一个在先专利是美国专利No.5729347，它提出现有技术中的一种测量系统。专利No.5729347提出使用滤光器输出与控制信号之间的比值。在一个实施例中，利用光学耦合器将入射光束分成两个光束，其中一个光束进一步被另一个光学耦合器再分成另外两个光束，总共形成三个光束，由第二个光学耦合器分裂的两个光束分别经过各自的滤光器，然后经过放大器和A/D转换器处理，另一个光束不经过滤光，但也经过放大器和A/D转换器处理。在处理过程中，求取来自两个经滤光的光束的两个数字值，选择其中之一值用于进一步的计算。然后计算对于未滤光的光束的传播比值，输出对应的波长到显示器。它提供在相对小的预定范围内测量波长的测量系统。专利No.5729347还提出在以递增的角度旋转滤光器时通过持续获取传播比值读数和对结果进行适当的信号处理以测定输入信号的波谱来形成高分辨率的波谱仪。

本发明提出一种方法和设备用来提供改进的波长测量系统，更确切地说，本发明提出具有高度集成化结构的测量系统，该系统可充分减小由环境变化引起的波长测量或辨别误差。另外，本发明以一种密集型、低成本的结构实现这些目的。

发明内容

虽然上述现有技术系统描述了测量波长的各种方式，但它们都具有一些缺点。例如，所有的上述现有技术系统在许多实际应用中，特别在高精度装置的应用中对温度变化和其它环境影响具有无法接受的高度灵敏性。可以意识到，在依照本发明的各种示范性应用和实施例中，可以百万分之一的数量级有效辨别波长变化。可以意识到，微小的机械偏差、变形和热量干扰对于现有技术系统中的每个信号通道是固有不同的，在这样的应用和实施例中可产生无法接受的误差。此外，在将它们用于许多实际应用之前需要进一步减小波长测量系统的尺寸和成本。

提供一种用于测量高分辨率测量系统中波长变化的方法和设备。依据本发明的一个方面，通过沿具有不同滤光特性的路径，引导光束穿过基本相同的滤光器结构，优选引导光束穿过同一滤光器结构，分别对两个或更多个光束过滤。使用一个滤光器结构对多个光束过滤比需要多个滤光器对多个光束过滤的现有技术系统具有明显的优势。一个特有的优点是克服了在对每个光束使用不同滤光器滤光的系统中尝试补偿功率或温度波动时遇到的困难。

依据本发明的另一个方面，利用衍射光栅提供多个光束。光栅可将入射光束分裂成第一和第二光束。然后光束以不同的角度穿过滤光器，这里允许利用一个滤光器来产生两个不同的可用来补偿功率和/或温度波动的输出值。

仍依据本发明的另一个方面，利用第二衍射光栅来衍射其中一个光束使其会聚到探测其它光束的同一检测器上。还可使用光闸，用来允许系统在两个光束之间转换。可选择地，光闸可用来简单调制其中一个光束。在一个可选实施例中，与其使用光闸和一个检测器，不如使用不同的检测器来探测不同的光束。

仍依据本发明的另一个方面，利用第一光栅来将入射光束分裂成第一和第二光束，同时使用第二衍射光栅来将第一光束分裂成第一和第三光束，将第二光束分裂成第二和第四光束。使用具有低温相依性的第一滤光器来滤光第一和第三光束，同时使用具有高温相依性的第二滤光器来滤光第二和第四光束。利用光电检测器阵列来探测第一、第二、第三和第四光束中的每一个。利用这个实施例的四个输出来推导出信号，利用该信号可有效补偿功率波动和温度变化的两个未知值。

仍依据本发明的另一个方面，为一个或多个光束提供对温度灵敏的光束偏转器，光束偏转器可按温度函数改变光束进入滤光器的角度。

仍依据本发明的另一个方面，衍射光栅可将入射光束分裂成第一、第二和第三光束。前两个光束以不同的角度穿过滤光器，允许使用一个滤光器来产生两个不同的、可用来补偿功率变化的输出值。第三光束经过光束偏转器，偏转器按温度函数改变光束进入滤光器的角度。与第一和/或第二光束的输出信号相结合，利用与该实施例第三光束相关的输出来推导出信号，利用该信号可有效补偿温度变化的影响。

仍依据本发明的另一个方面，为至少两个光束的每一个提供相应的、对温度灵敏的光束偏转器。在一个实施例中，每个对温度灵敏的光束偏转器按温度函数调整相应光束进入滤光器的角度。在各种示范性实施例中，偏转器从相应光束生成的输出中获得对角度的温度灵敏调整，来消除滤光器内在的温度灵敏度的影响，使得测量波长变化的装置对温度变化基本不灵敏。

可以意识到，本发明提供了极微型结构，其利用基本或完全相同的滤光器结构和不同的光束路径来分别滤光两个或多个光束，从而充分降低了波长测量误差。此外，可利用不同的结构来补偿功率波动和温度变化。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，可更好地理解、更清楚地认识到前述的各方面和本发明随之的许多优点。这里：

图1A是用来测量辐射源波长偏移的、包括带通滤光器的现有技术系统的框图；

图1B示出图1A中带通滤光器的透射波谱；

图2是用来测量辐射源波长偏移的、具有带通滤光器的第二现有技术系统的框图；

图3A是用来测量辐射源波长偏移的、具有两个带通滤光器的第三现有技术系统的框图；

图3B示出图3A中两个带通滤光器的透射波谱；

图4是依据本发明用来测量辐射源波长偏移的测量系统的框图，其包括滤光器结构，利用发散入射光束和两个检测器；

图5是依据本发明用来测量辐射源波长偏移的测量系统可选实施例框图，其具有滤光器结构、光栅和两个检测器；

图6是传播波谱图，表示依据本发明原理由滤光器结构提供信号的测量系统的运行；

图7是传播波谱图，表示依据本发明原理由滤光器结构提供信号的可选测量系统的运行；

图8是依据本发明用来测量辐射源波长偏移的测量系统的第二可选实施例框图，其具有滤光器结构、两个光栅、光学光闸和检测器；

图9是依据本发明用来测量辐射源波长偏移的测量系统的第三可选实施例框图，其利用两个滤光器结构、两个衍射光栅和用来探测四个光束的光电检测器阵列；

图10A是用在图9所示系统的其中一个滤光器结构构造里的层的示意图；

图10B是图10A的其中一个多层介质带通滤光器的构造示意图；

图11是依据本发明用来测量辐射源波长偏移的测量系统的第四可选实施例框图，其利用滤光器结构、衍射光栅、温度灵敏的光束偏转器和用来探测三个光束的光电检测器阵列；和

图12是依据本发明用来测量辐射源波长偏移的测量系统的第五可选实施例框图，其利用滤光器结构、衍射光栅、两个温度灵敏的光束偏转器和一对用来探测两个光束的光电检测器。

具体实施方式

图4示出依照本发明构成的测量系统100。测量系统100包括发散的辐射/光源、滤光器结构120、检测器150和155、信号处理电路160。

从点101，入射发散光束散射成入射光束102和成角度入射光束104和106。入射光束102以光束112通过滤光器结构120，形成经滤光的光束132提供给检测器150。成一角度的入射光束106以成一角度的光束116通过滤光器结构120，形成成角度的经滤光的光束136提供给检测器155。成角度的光束116以与滤光器结构120表面垂直方向呈θ角的角度通过滤光器结构120。因此对成角度光束116的滤光不同于光束112，从而成角度的经滤光的光束136提供的信号不同于经滤光的光束132，见下面的详细描述。检测器150和155分别通过线路152和157输出各自的滤光信号到信号处理电路160。在一个实施例中，每个检测器150和155在由检测器尺寸大小决定的角度范围内，例如θ+δθ内进行结合。在其它各种实施例中，未示出的其它各种光圈或光学器件被设置用来将每个检测器接收的光束限于狭窄角度范围内。

在另一个示范性的实施例中，检测器150和155有效提供了一维或二维检测器阵列，其可横跨具有各自入射角度的发散光束路径的整个范围。将来自检测器阵列中的一个或多个器件的两组相应信号进行结合(如果需要)，检测器阵列中的一个或多个器件横跨对应于选择标定角度的有限分范围，通过各自的信号线路152和157输出以便信号处理，见下面的进一步描述。

在另一个示范性的实施例中，一维或二维检测器阵列提供两个以上的有效检测器输出，每个输出对应于具有相应入射角度的不同的有效光束路径。信号处理电路160接收一维或二维检测器阵列中每个检测器器件的输出信号。然后信号处理电路160分析在整个阵列上的强度空间分布，通过例如对照查找表，测定入射光束101的波长。查找表可以用实验方法建立，通过输入各种已知波长源，保存对应的强度分布。可以意识到，这样一种一维或二维的检测器阵列同样可在下面描述的其它各种的测量系统实施例中用来提供两个或多个检测器输出。还可进一步意识到，这样使用一维或二维检测器阵列的实施例可对不同光束的对准敏感性更小，可实际带来更好的测量分辨率和精确度，尽管在某些情况下需要以更复杂的信号处理和更长的信号处理时间为代价。

可以看出，测量系统100的结构允许使用单一滤光器结构来代替一些现有系统中使用的两个分立的滤光器。由于依据本发明，入射光束102和成角度入射光束106以不同的角度通过滤光器结构120，为每个相应的光束提供不同的滤光路径，从而提供多个相应的滤光信号，这使单一滤光器的使用成为可能。

在一个实施例中，滤光器结构120是法布里-珀罗介质滤光器(dielectricFabrey-Perot filter)，Melles-Griot是提供这样滤光器的一个供货方。这样的滤光器可提供期望的、入射光束相对于滤光器表面垂直方向的入射角为θ下的滤光器特性依存性。当滤光器的特征在于最大透光度时的中心波长λ₀时，依存性可由下述表达式给出(在至少一个实施例中对θ角从0°到20°有效)：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}={\mathrm{\λ}}_0{[1-{\left(\frac{\mathrm{Ne}}{N^{*}}\right)}^2{\mathrm{Sin}}^2\mathrm{\θ}]}^{\frac{1}{2}}$               (公式1)

这里：

λ_θ＝成角度入射时的峰值中心波长

λ₀＝正入射时的峰值中心波长

Ne＝外部介质的折射率

N^*＝滤光器的有效折射率

θ＝入射角

可选择角θ使中心波长λ₀移动预期的数量，这样使下面图6和7中所详细描述的两个相交传播曲线的获得成为可能。

可以意识到，与现有技术图3B中所示的相交传播曲线相比，依照本发明原理的相交传播曲线通过引导多个光束经过基本相同的滤光器结构而获得，优选通过引导多个光束经过同一滤光器结构获得。这样可得到许多优点，特别对于那些要求在环境条件改变下必须精确辨别波长微小变化的应用，和要求低成本、致密尺寸的应用，见在下面的进一步描述。

在一个实施例中，为了在测定源波长变化时获得ppm级的分辨率，基于相交传播曲线产生的相应滤光信号的比值通过信号处理电路160测定，分辨率大约为1000分之一。使用查找表或其它转换方法，将比值转换为相关的光源波长，或测定相对于参考或原始光源波长的光源波长变化。适合于各种示范性实施例的比值测定公式将在下面进行更详细的描述。可以意识到，测量系统100提供了只利用滤光器结构的超微型结构。在各种示范性实施例中，依照本发明的信号处理，如下面进一步的描述，这样的结构可充分减小波长测量误差和滤光器温度变化引起的误差，波长测量误差不仅由功率变化引起，还特别由环境条件变化、潜在的机械和热变形引起。这在现有方法上取得了实质上的进步，现有方法中使用离散滤光器和检测器，因此它们对温度变化和在实际系统设计中不能高精度补偿的其它环境影响具有不同的残余灵敏度，以及在测量系统设计中具有更高部件成本和额外复杂性。

图5示出本发明可选实施例中的测量系统200。测量系统200与图4中的测量系统100的不同之处在于，测量系统200包括光栅，光栅提供多个通过滤光器结构的光束路径，并且比测量系统100的功率效率大，对微小的器件和光源的对准偏差可能更不灵敏。更详细地说，如图5所示，测量系统200包括相当于光束偏转元件的光栅210、滤光器结构220、检测器250和255、信号处理电路260。

入射光束202被光栅210分裂成传播光束212、以及+/-第一级成角度的光束214和216。可以意识到，在各种示范性实施例中，也可将光栅210设计为炫耀光栅，以致只在0^th和+1级产生衍射，从而消除光束214，提高了功率传送效率。还可以意识到，在其它各种示范性实施例中，可在光栅210的位置上使用任何一种合适的、现在已知或以后改进的光束偏转元件。在一个示范性实施例中，可在光栅210的位置上使用大约截取入射光束202一半的棱镜或光楔。但是，由于光束的位置决定了用来产生光束216的棱镜截取光束的比例，因此使用棱镜的这种结构更易于产生由入射光束202相对于棱镜的位置变化引起的测量误差。可以意识到，使用光栅210通常对光束相对于光栅的较小位置变化不灵敏，从而优选。

传播光束212和第一级成角度的光束216经过滤光器结构220后，分别变成经滤光的光束232和成角度的经滤光的光束236，依照本发明的原理，从不同的滤光路径提供两个滤光信号。经滤光的光束232由检测器250接收，而成角度的经滤光的光束236由检测器255接收。检测器250和检测器255分别给信号处理电路260提供输出252和257。可以意识到，测量系统200具有与图4中的测量系统100相同的优点，包括单一滤光器结构的使用带来如上所述的、比上述对每个光束使用不同滤光器的现有系统明显的优点。特别是，通过单一滤光器结构的每个辐射路径的滤光特性的温度灵敏度几乎相同，或与辐射路径的长度成比例，或至少高度相关。因此由于温度变化和其它环境影响引起的沿每个辐射路径的残余滤光灵敏度可通过实际系统设计的高精确度得到可靠补偿。另外，可降低部件成本和测量系统设计的复杂性。

在测量系统200的一个示范性实施例中，在滤光器结构120或220采用带通滤光器时，设计可集中在将测量波长偏差定在635nm区域内。图6是依照本发明原理的、对应于由带通滤光器结构提供信号的一个示范性实施例的传播波谱图。图6示出对应于入射光束入射角为0°时的带通滤光器特性的第一传播曲线270。对于这个角，滤光器具有大约等于638nm的中心波长λ₀，大约为3nm的“半最大值全宽”(FWHM)通带，和大约为62％的峰值透光度T₀。图6还示出对应于入射光束入射角为非零时的同一带通滤光器的第二传播曲线280，非零角通常对应于将滤光器传播曲线的中心波长λ₀变为更小的波长，如上述关于公式1的描述。

图6示出传播曲线270和280的理想工作区290。为了方便起见，在下面的讨论中将传播曲线称为信号曲线，描述沿曲线的信号值。可以理解的是，对于任一特定波长和相应入射角的光束，相应的传播曲线理想地决定了从相应检测器输出的滤光信号结果。工作区290理想上、但不必须是线性区域。在接下来的讨论中假设其为线性以简化相关的讨论。最重要的是，工作区是信号曲线270和280的重叠的区域，光源波长由沿相应光束路径通过滤光器的两个有用的输出信号导出。示范性的工作区290大约从635.5nm到636.5nm，这样在该工作区可获得极高的波长辨别力。

可以意识到，对于依照本发明原理产生的信号，工作区290内的信号曲线270和280基本上是同一曲线，但具有微小的波长偏移。因此，对于工作区290内的任一波长，两个信号S1和S2之间的信号差291名义上是不变的。在名义上理想的控制运行条件下，任一信号曲线都可用来高精确度地测定波长。可是，每个信号的变化可由入射光束功率变化，或检测器标称增益变化，例如由于电源变化、共模环境变化等引起。许多这样的变化与依照本发明原理的测量系统中的两个信号成比例。在这种情况下，相对于共模功率和增益变化通过对信号进行归一化可以精确测定在工作区290内的任一波长。在一个示范性实施例中，在每个信号中的共模功率和增益变化的影响可通过作为如下的组合信号比的函数f来测定波长而得到有效克服：

λ_act＝f[(S1+S2)/(S2-S1)]          (公式2)

可选的组合信号比的表达式可在其它各种实施例中使用，这对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。如前所述，可利用查找表或其它转换方法，将依据公式2的比值或一个可选信号比转换为相应的光源波长λ_act，或用来测定光源波长相对于参考或原始光源波长的变化。对于工作区290是不完全线性的情况，可以意识到，通过实验的方法测定合适的、精确的查找表或转换方法。

在近似对应于图6的测量系统200的一个示范性实施例中，理想上提供非零角θ，以使中心波长λ₀的结果偏移大约为0.25nm。对于该实施例，例如在λ₀＝637.5nm，N_e＝1，N^*＝2.0下，可在公式1的基础上确定角度θ＝4.0°的入射光束将提供中心大约为λ_θ＝637.25nm的传播曲线，提供中心波长λ₀大约0.25nm的理想变化。为了计算与θ＝4.0°的入射光束相关的光栅特性，利用光栅公式d*sinθ＝mλ，这里d为光栅间距，m为级数(这里＝1)。当θ＝4.0°，光源波长为635nm时，公式得出d＝9.1μm。

在测量系统200的这个示范性实施例中，当滤光器220厚2mm，θ＝4.0°时，传播光束212和成角度光束216的中心在滤光器220的背面间距～0.14mm。当检测器250和255采用微型检测器，入射光束的直径为0.1mm级时，为了提供微型测量系统200，滤光器220和光栅210的直径或宽度理论上可为1mm级或小得多。但是，在其它各种示范性实施例中，入射光束202的直径可为1/2毫米级，每个检测器250和255具有1毫米级的检波区域直径或宽度，和大约1毫米的中心距。这样在各种示范性实施例中，依照本发明的微型测量系统的总直径或宽度可大约为3毫米，微型测量系统沿入射光束202方向上的长度为14mm级，从而为经滤光的光束232和成角度经滤光的光束236在检测器250和255上提供了理想的间距。在各种示范性实施例中，从光栅210到滤光器220前表面的间距，和/或从光栅210的后表面到检测器250和255的间距，可设定为任一间距，可为经滤光的光束232和成角度经滤光的光束236以及为检测器250和255提供理想的不同间隔。在各种示范性实施例中可通过玻璃隔板获得理想的间距。

尽管在前的描述一般依据图6所示的带通滤光器特性，但可以意识到，在获得具有合适入射角度的光束路径时，可由其它类型的滤光器和它们相应的传播曲线提供与工作区290相似的工作区，前面针对图3B所谈到的对应于滤光器曲线82的滤光器可用作一个例子。这样，可以意识到，在依照本发明的各种示范性实施例中，除了带通滤光器之外的滤光器类型包括低通滤光器、高通滤光器和陷波滤光器，都可在合适的工作区上使用。

图7是依照本发明原理的、对应于由带通滤光器结构提供信号的第二示范性实施例的传播波谱图。图7与图6相似，除了通过利用增加相应光束的入射角而移动传播曲线280获得传播曲线280＇。在依照本发明的各种示范性实施例中，理想上提供非零角θ，这样中心波长λ₀的结果变化大约为3nm的FWHM带通宽度，所以信号曲线270和280＇近似如图7所示的相关。图7示出传播曲线270和280＇的理想工作区290＇。传播曲线270和280＇在交叉点295相交。在各种示范性实施例中，交叉点295对应于滤光器的标称参考温度T_R下的标称参考辐射波长λ_R。此外，交叉点295对应于标称信号功率/增益级P_R下的标称参考信号值F_R，见下面结合公式4A-4D的描述。

与工作区290相似，工作区290＇理想上、但不必须是线性区域。在接下来的讨论中假设其为线性以简化相关的讨论。最重要的是，工作区是信号曲线270和280＇的相交区域，单一光源波长通过滤光器产生了沿两个相应光束路径已滤过的两个有用输出信号。在该例中，对于工作区290＇内的任一波长，两信号S1和S2之和名义上是不变的。在名义上理想的控制运行条件下，任一信号曲线都可用来高精确度地测定波长。可是，如前针对图6所述的，每个信号的变化可由入射光束功率的变化，或检测器标称增益的变化，例如由电源变化、共模环境变化等引起。许多这样的变化与依照本发明原理的测量系统中的两个信号成比例。在这些情况下，可通过相对于共模功率和增益变化对信号进行归一化而精确测定工作区290内的任一波长。在一个示范性实施例中，共模功率和增益变化对每个信号的影响可通过作为如下的组合信号比的函数来测定波长而得到有效克服：

λ_act＝f[(S2-S1)/(S2+S1)]            (公式3)

可选组合信号比的表达式可在其它各种实施例中使用，这对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。同前面针对公式2的描述相同，对于工作区290′不是完全线性的情况，可以意识到，通过实验的方法测定合适的、精确的查找表或转换方法。

在近似对应于图7的测量系统200的一个示范性实施例中，理想上提供非零角θ，以使中心波长λ₀的结果变化大约为3.0nm。对于该实施例，例如在λ₀＝637.5nm，N_e＝1，N^*＝2.0下，可在公式1的基础上确定角度θ＝11.2°的入射光束将提供中心大约为λ_θ＝634.5nm的传播曲线，提供中心波长λ₀大约3nm的理想变化。为了计算与θ＝11.2°的入射光束相关的光栅特性，可利用光栅公式d*sinθ＝mλ，这里d为光栅间距，m为级数(这里＝1)。当θ＝11.2°，光源波长为635nm时，公式得出d＝3.27μm。

在测量系统200的这个示范性实施例中，当滤光器220厚2mm，θ＝11.2°时，传播光束212和成角度光束216的中心在滤光器220的背面间距～0.40mm。当检测器250和255采用微型检测器，入射光束的直径为0.3mm级时，为了提供微型测量系统200，滤光器220和光栅210的直径或宽度理论上可为1mm级或小得多。但是，在其它各种示范性实施例中，入射光束202的直径可为1/2毫米级，每个检测器250和255具有1毫米级的检波区域直径或宽度，和大约1毫米的中心距。这样在各种示范性实施例中，依照本发明的微型测量系统的总直径或宽度可大约为3毫米，微型测量系统沿入射光束202方向上的长度为5mm级，从而为经滤光的光束232和成角度经滤光的光束236在检测器250和255上提供了理想的间距。在各种示范性实施例中，从光栅210到滤光器220前表面的间距，和/或从光栅210的后表面到检测器250和255的间距，可设定为任一间距，可为经滤光的光束232和成角度经滤光的光束236，为检测器250和255提供理想的不同间隔。在各种示范性实施例中可通过玻璃隔板获得理想的间距。

可以意识到，对于附图6和7任一个所示的传播曲线结构，在依照本发明的各种示范性实施例中，信号S1和S2从来自光源分裂后仅穿过同一物理元件和接口的单一光束中导出。这样，与现有系统相比，由标称滤光器特性的微小变化、滤光器特性随温度的变化、对准变化、不同材料或杂质导致的沿光束路径的功率衰减等引起的滤光器某些误差，可依照本发明原理作为共模误差被大大地抵制。

图8示出本发明第二可选实施例中的测量系统300的框图。测量系统300包括光栅310、滤光器320、光栅330、光闸340、检测器350、信号处理电路360和温度传感元件365。在一个实施例中，光栅310和330可直接沉积在滤光器320上，或在另一个实施例中沉积在粘贴于滤光器上的基底上。在其它各种示范性实施例中，利用任一适用的机械方式将光栅310和330简单地装在距滤光器320两侧的理想距离上。测量系统300与图5中的测量系统200的不同之处在于使用了第二光栅330、光闸340和单一检测器350。

如图8所示，入射光束302被光栅310分裂成传播光束312、以及+/-第一级成角度的光束314和316。传播光束312以及第一级成角度的光束314和316经过滤光器结构320，依照本发明的原理，从不同的滤光路径提供滤光信号。经过滤光器320后，光栅330使传播光束312以及+/-第一级成角度的光束314和316发生偏转，得到近似所示的经滤光的光束332以及成角度的经滤光的光束334和336。可以意识到，为了让成角度的经滤光的光束334和336汇聚到同一检测器上，光栅330通常具有比光栅310更细的间距。所有的经滤光的光束332、334和336受光闸340的操作导引，使它们都能到达检测器350。还可以意识到，光闸340在共用的检测器350上有效提供了两个检波通道。检测器350在由光闸340动作决定的不同时间上提供两个不同的信号。

经滤光的光束332、334和336在入射到检测器360上之前都经过光闸350。光闸350允许测量系统在经滤光的光束332、334和336之间选择转换。在各种示范性实施例中，光闸350是多孔光闸，为经滤光的光束332、334和336的每一个提供孔，可由用于选择光束332、334和336中的哪一个入射到检测器350上的、任一适用的、现在已知或以后研制的光闸、光阀或光束调整装置来构造。在各种实施例中使用了基于MEMS的光闸、光阀或光束调整装置。适用的MEMS装置由US6226116、6313937、6275320中的一个或多个公开，这里整体上结合它们作为参考。可替换的是，从Coventor Inc.of Cary，North Carolina，USA可购买的的微型光学光闸阵列板适于用作光闸350。在其它各种示范性实施例中，光闸350可由任一适用的、现在已知或以后研制的传统微型机电致动器或电机、光闸、和/或光圈结构来构造。还在其它示范性实施例中，光闸350可由任一适用的、现在已知或以后研制的LCD光阀结构来构造。在任一种情况下，一旦光束入射到检测器350上，检测器350提供至少两个输出352和357给信号处理电路360，见如上所述。

除依照本发明原理的各种示范性实施例的前述优点之外，如图8所示的实施例还降低了由各个检测器的变化导致的信号变化引起的测量系统误差。例如，由标称滤光器特性中的较小变化、检测器特性随温度的变化、对准变化、不同材料或杂质导致的沿光束路径的功率衰减等引起的某些误差，依照图8所示的结构作为共模误差被大大地抵制。

可以意识到，通常滤光器的滤光特性会随温度稍微有所变化。特别是，对于特征为峰值或中心传播波长的滤光器，中心波长(即整个传播曲线)会随温度而变化。对于图6，这大约相当于依照滤光器温度变化的比例将传播曲线270或280移动到较大或较小的波长。这样如下面更详细的描述，几乎不能区分温度的影响和光束入射角的变化。同样地，由于缺少额外信息，不能区分由滤光器温度影响引起的信号变化和进入滤光器的辐射波长变化。

在依照本发明的各种示范性测量系统的实施例应用中，测量系统测量波长的分辨率和精确度在不校正温度影响的信号时已足够。在一个示范性实施例中，采用了具有低温度灵敏度的滤光器。例如，商业上可用的致密的波分复用(DWDM)滤光器，如供应商Edmund Scientific提供的DWDM带通滤光器系列，温度灵敏度大约为.001nm/℃。即，滤光器中心波长变化大约为.001nm/℃。这样在许多工作环境相对稳定的应用中，例如+/-5℃，对635nm光线的相关误差仅为+/-.005nm，或大约为8ppm。

但是，在依照本发明的其它各种示范性测量系统的实施例应用中，希望测量系统测量波长的分辨率和精确度为1ppm级或更好。在这样的应用中，针对滤光器结构中温度的影响对信号进行补偿。附图8示出温度传感元件365，它提供温度输出信号357给信号处理电路360。在各种示范性实施例中，温度传感元件365可以是热敏电阻、热电偶、RTD、电流输出温度装置或其它适用的、现在已知或以后研制的温度传感元件中的任一种。

信号处理电路360利用温度信号，对滤光器结构320的温度影响进行补偿。如前所述，温度变化的影响大体相当于按照滤光器温度变化的比例将图6和7中所示的传播曲线270、280和/或280＇移动到较大或较小的波长。这样，在各种示范性实施例中，为了测定温度补偿后的光源波长变化，基于相交传播曲线产生的相应滤光信号的比值通过信号处理电路160测定，如这里其它地方所述的。基于相对于参考或原始温度信号的温度信号值，利用查找表或其它转换方法来将信号比补偿或转换为参考或原始温度下的期望值。可通过实验方法，在控制方式下改变测量装置温度，测定各种光源波长下滤光信号或信号比的相应变化来确定查找表或其它转换方法。补偿或转换后的信号比精确对应于与滤光器温度影响无关的光源波长或频率。可选地，在测定信号比之前对每个检波信号进行温度补偿。

在依照本发明的各种测量系统实施例中，如上所述的温度补偿方法和装置是符合要求的。但是，在依照本发明的其它各种测量系统实施例中，为了测定或补偿滤光器的运行温度变化，依照本发明利用附加的滤光路径信号可获得精度更高和/或更简单的测量系统，如下面的详述。

图9示出本发明的第三可选实施例中的测量系统400。如下面的更详细所述，测量系统400与上述对应于图4-8的测量系统原理相似，除了没有利用滤光器结构来产生两个光束之外，测量系统400利用两个滤光器结构来产生四个光束。在各种示范性实施例中，依照本发明的信号处理，如下面的进一步详述，这种结构容许进一步改善测量系统的精确度。其中的一些改善包括充分降低了波长测量误差和特别由测量系统400的滤光器温度变化引起的误差，波长测量误差不仅由功率变化引起，还由环境条件变化引起。

测量系统400包括第一衍射光栅410、光学透明基底420、第二衍射光栅430、滤光器结构440和445、以及由四个光电检测器450、451、452和453组成的光电检测器阵列。所有的这些器件容纳在外壳470内。入射光束402被光栅410分裂成零级入射光束412和第一级入射光束416。在穿过透明基底420之后，入射光束412被光栅430分裂成第一经滤光的光束对431，该光束对431包括经滤光的光束432和成角度经滤光的光束434。同样地，第一级入射光束416被光栅430分裂成第二经滤光的光束对435，该光束对435包括经滤光的光束436和成角度经滤光的光束438。在图9所示的示范性实施例中，衍射光栅410和430是按同一规格安装的炫耀光栅，除了其中一个为反向设置之外，这样当抑制可能干扰沿所示主路径的光学信号的沿其它辐射路径的其它衍射级时，激发角近似沿图9所示的可操作方向产生四个辐射光束432、434、436和438。如上所述确定光栅间距，以在具体实施例中获得所期望的入射角度。在一个实施例中，在抑制其它级同时衍射光栅410和430被激发以在零级和第一级衍射光束中产生相同效率的辐射光束，在本领域中对于这种衍射光栅来说是公知的。可以意识到，光栅参数例如光栅间距未按比例在图9中示出。

经滤光的光束432和成角度经滤光的光束434经过带通滤光器结构440后分别进入检测器450和451。在一个实施例中，窄带通滤光器结构440具有相对小的温度依存性。经滤光的光束436和成角度经滤光的光束438经过带通滤光器结构445后分别进入检测器452和453。在一个实施例中，窄带通滤光器结构445具有相对大的温度依存性。可以意识到，当利用单一致密组件，检测器450-453组成的检测器阵列容许同时测量多个光束。在各种示范性实施例中，用作组成阵列的检测器可为分隔的离散检测器或单片集成阵列，例如四分之一圆周阵列，这样可简化检测器校准，提高共模误差的抑制。例如，在各种示范性实施例中，因为各个检测器450-453的温度灵敏度大体相同，或至少高度相关，所以采用组合阵列。从而由温度变化和其它环境影响引起的残余检测器灵敏度可在实际系统设计中通过可靠补偿达到高精确度，另外，可充分降低部件成本和测量系统设计的复杂性。在一个可选实施例中，测量系统400的平面构造组装图可扩展到具有附加检测器列的图形，用来实现对多个不同波长的辐射光束进行同时探测和测量。

如上所述，在经过两个衍射光栅410和430之后，入射光束402被分裂成四个隔开的经滤光的光束432、434、436和438。经滤光的光束432和436正入射通过滤光器结构440和445，而成角度经滤光的光束434和438以规定角度通过滤光器结构440和445。依照本发明，分别对应于滤光器结构440和445的每一个，这种结构提供了一对相应的隔开的已滤过信号。即每个滤光器结构分别提供了一对滤光器信号，即如上所述的、从单一的滤光器结构提供一对滤光器信号的实施例。因此，与前述测量系统100、200和300相比，测量系统400提供附加的测量信号，结合适当的信号处理，可以使用这种测量信号来测定温度变化和/或补偿温度误差。测量系统400的滤光器温度响应和对两对信号的各种相关信号处理原理将在下面进行更详细的描述。

为了说明的目的，图9的测量系统400在一个实施例中被认为包括两个测量子系统480和490。每一个可依照前述原理构建。但是每个相应的子系统480和490采用中心波长和工作区相同的滤光器，但选择或设计其中一个滤光器具有相对小的温度依存性，而另一个滤光器具有相对大的温度依存性。两个测量子系统的每一个提供两个信号，例如分别通过检测器450和451以及检测器452和453，这样可为了功率归一化对每个测量子系统的输出进行校正。在可选实施例中，由于假设两个滤光器的输入功率变化类似，所以可利用三个而不是四个信号。不管怎样，如下所述的四个信号的使用允许精确度和可靠性的额外的余量。

可以意识到，由上文参照图4-8描述的测量系统提供的两个信号通常被设计用来补偿功率变化引起的波长测量误差。可选择地，如果利用任一个现在已知的或后来改善的方法将功率变化降低到可忽略的水平，并增加适当的温度传感器，那么名义上可测定和补偿温度引起的测量误差。但是，更一般地，如果存在两个不能忽略的功率变化和温度变化，那么上文参照图4-8描述的测量系统在一些实施例中不能被设计用来补偿功率和温度两者变化误差的影响。相比之下，提供和利用三个或四个信号的系统，如参照图9描述的测量系统，可被设计用来补偿温度和功率两者的变化。

原则上，每个子系统可测定视在波长(appatent wavelength)变化，该视在波长变化包括波长的实际变化和温度依存性引起的视在波长变化，后者是人为控制的并对每个子系统来说是唯一的。可以意识到，依照本发明的子系统除了对温度误差以外对潜在的误差源也是高度精确和稳定的。结果，基于分析、实验和/或校准，由两个子系统示出的视在波长变化之间的关系与温度可靠地相关。这样，任一或两个子系统的温度误差可被消除。例如，可以意识到，通过实验方法确定适当正确的查找表或转换方法，这样子系统信号之间的关系可用来确定滤光器温度。然后利用滤光器温度校正滤光器子系统示出的波长。可选择地，两个特定子系统波长指示之间的关系可直接被用来查找或计算温度校正波长。

下面是用来确定一组示范性公式的例子分析，借此可利用四个信号来生成两个用来求温度和功率变化的两个未知变量的公式。分析假设两个子系统，每个子系统滤光器组具有两个如图7所示的相交的滤光器传播曲线，解释公式4A-4D中各术语的符号。通过不带撇和带撇的符号命名区分两个滤光器组。依照前面的描述，不带撇滤光路径上的信号与带撇滤光路径上的信号的波长和温度依存性不同。为了清楚地解释基本原理，我们假设子系统内两个如图7所示的相交的滤光器传播曲线具有相同的传播特性(但斜面相反)和相同的温度依存性。确定上述对应于图7的交叉点295的信号。

利用如下的命名：

P/P_R是电流信号功率P与参考信号功率P_R的比值；

S₁、S₂、S₁′、S₂′是四个滤光路径分别生成的信号；

F₀、F₀′是在信号功率P_R下在每个子系统的交叉点处与每个滤光器传播曲线相关的相应信号；

Δλ是被测定的波长相对于子系统的交叉点的变化；以及

ΔT是温度变化。

这样穿过四个滤光器中的每个滤光器的传播功率分别为：

$S_1=\frac{P}{P_R}[F_0+\frac{\∂F}{\∂\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ\λ}+\frac{\∂F}{\∂T}\mathrm{\ΔT}]$                       (公式4A)

$S_2=\frac{P}{P_R}[F_0-\frac{\∂F}{\∂\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ\λ}-\frac{\∂F}{\∂T}\mathrm{\ΔT}]$               (公式4B)

$S_1\′=\frac{P}{P_R}[F_0\′+\frac{\∂F\′}{\∂\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ\λ}+\frac{\∂F\′}{\∂T}\mathrm{\ΔT}]$                      (公式4C)

$S_2\′=\frac{P}{P_R}[F_0\′-\frac{\∂F\′}{\∂\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ\λ}-\frac{\∂F\′}{\∂T}\mathrm{\ΔT}]$                      (公式4D)

分析的第一个目标是去除输出对P的依存性。这样对于每一组滤光器，获得那组内两个滤光器输出之间的比值。当假设公式4A-4D中最后两项很小时，如实际使用中几乎一直出现的情况，结果变成下面的公式：

$S=\frac{S_1}{S_2}[1+\frac{2}{F_0}\frac{\∂F}{\∂\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ\λ}+\frac{2}{F_0}\frac{\∂F}{\∂T}\mathrm{\ΔT}]$                      (公式5A)

$S\′=\frac{S_1\′}{S_2\′}[1+\frac{2}{F_0\′}\frac{\∂F\′}{\∂\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ\λ}+\frac{2}{F_0\′}\frac{\∂F\′}{\∂T}\mathrm{\ΔT}]$              (公式5B)

可以意识到，如果ΔT非常小(即，可以忽略)，那么在一些例子中，通过利用S或S′推导出Δλ，就可以在这里结束分析。否则，两个功率归一化值形成两个具有两个未知数的公式，通过两个公式推导出下面的公式求得Δλ：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{F_0}{2\frac{\∂F}{\∂\mathrm{\λ}}}(S-1)\frac{1}{1-\frac{\frac{\∂F}{\∂T}}{\frac{\∂F\′}{\∂T}}\·\frac{\frac{\∂F\′}{\∂\mathrm{\λ}}}{\frac{\∂F}{\∂\mathrm{\λ}}}}+\frac{F_0\′}{2\frac{\∂F\′}{\∂\mathrm{\λ}}}(S\′-1)\frac{1}{1-\frac{\frac{\∂F\′}{\∂T}}{\frac{\∂F}{\∂T}}\·\frac{\frac{\∂F}{\∂\mathrm{\λ}}}{\frac{\∂F\′}{\∂\mathrm{\λ}}}}$             (公式6)

可以意识到，在一些例子中，为了获得最好的温度误差校正，让和

尽可能的不同是有益的。此外，如果

一般比大，那么让

尽可能的小是有益的。相反的，如果

一般比大，那么让

尽可能的小是有益的。还可以意识到，在一些例子中，不需要每组使用两个滤光器来归一化功率。也可以没有滤光器只使用一个检测器来为S₁、S₂、S₁′和S₂′中的任一个归一化功率。在这种情况下，又有两个公式和两个未知数，这里S_N和S_N′是对应于例如公式4A-4D中的S₁和S₁′的滤光器函数，但通过归一化消去功率项，也就是说，S_N＝S₁(P_R/P)，公式如下所示：

$S=[F_0+\frac{\∂F}{\∂\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ\λ}+\frac{\∂F}{\∂T}\mathrm{\ΔT}]$                      (公式7A)

$S\′=[F_0\′+\frac{\∂F\′}{\∂\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ\λ}+\frac{\∂F\′}{\∂T}\mathrm{\ΔT}]$                     (公式7B)

可以看出，Δλ的求解方法与公式6的方法非常相同，但分别用2F₀代替F₀，用S_N/F₀和S_N′/F₀′代替S和S′。可是，可以意识到，这种方法会降低波长测量的灵敏度。

可以意识到，如上所述的、对于四通道系统中的检测器变化，最重要的影响是检测器的偏移量和检测器的增益变化。在一个实施例中，希望将这些影响降低到小于0.1％的标称信号水平。降低影响的一种方法是使用四个相配的检测器。除了使用四个相配的检测器之外，还使用多路复用器，用来通过一个放大器读出四个检测器信号。当将依照本发明的波长测量系统与控制辐射源波长的精密装置组合在一起时，另一种降低检测器偏移量和增益影响的方法是在进行波长测量时在一些频率下调整辐射源强度，测定基于调整信号的信号值。但是，另一种降低给定滤光器子系统影响的方法是使用比值

和/或

而不是使用比值

和/或

来消除共模偏移。

附图10A是具有选定温度依存性的滤光器540的一个示范性通用结构示意图。这种通用结构也适用于图9中的滤光器440和445。通常，在一个实施例中可利用两个方法中的一个或全部来获得不同的温度依存性：使用具有不同温度依存性的不同材料；或在滤光器结构中的多个不同层上使用相同材料。对于多层滤光器结构，多层(总共i层)组成滤光器叠片，可成波长整数倍Nλ地改变它们的厚度t_i，这里λ为材料内的有效波长，就可获得几乎相同的滤光器波长特性(在所有的反射边同相)但不同的温度依存性。作为这种多层滤光器设计方法的具体例子，如果一种设计要求一层为1/4波长厚(t＝λ/4)，那么滤光器的厚度就可以被调节为整数倍波长，也就是说，t＝(N+1/4)λ，N＝1，2，3，......。各层具有与初始的层相同的光学特性，但与初始的层具有不同的温度依存性。这就确定了厚度，从而由于温度的依存性，反射光的相位以不同的速率改变。反射指数也随温度改变。设计也可考虑这种依赖性。温度微小变化的两个影响为线性。依据材料和波长，这些影响会叠加或互补。对于给定的滤光器，无论温度对滤光器传播波谱中心波长的改变造成了怎样的影响，通过这些组合结构，这种影响通常随N的增加而大幅度增加。

如图10A所示，滤光器540包括带通区580和阻断区590，并被装在外壳环548内。工作时，滤光器540接收未滤过的辐射光束512，输出已滤过的辐射光束542。带通区580包括基底层582和多层介质带通滤光器584。多层介质带通滤光器584的结构将在下面结合图10B进行更详细的描述。阻断区590包括环氧树脂层592、多层金属介质阻断滤光器594、基底层596和可选的有色玻璃层598。

图10B示出图10A中多层介质带通滤光器584的一个示范性结构。如图10B所示，多层介质带通滤光器584包括四个层叠区601-604。层叠区601和602包括全介质腔室，并由空层AB将层叠区601和602与层叠区603和604分开，层叠区603和604也包括全介质腔室。层叠区601和602由隔片层SP1分开，层叠区603和604由隔片层SP2分开。每个层叠区601-604包括最简单的周期层。

可以意识到，滤光器温度特性依赖于滤光器层的热量扩散和由温度引起的层反射指数的变化。这样，对于多层滤光器，存在各种可选设计，各种滤光器的供应商可提供各种适用本发明的原理的、各种标准或定做滤光器的可选结构。

图11是依照本发明原理的、通过一个滤光器结构提供三个滤光路径信号的测量系统第四可选实施例框图。其中一个滤光路径信号相对其它两个信号具有不同的温度依存性，这样可依照前述原理进行温度补偿，但使用滤光器结构。如下面更详细的描述，图11所示的测量系统700采用了与上述对应于图4-8的系统相同的原理。

测量系统700包括连接到支持衍射光栅710的基底720的光源输入光纤705、光束偏转器730、滤光器结构740和由三个光电检测器750、751、752组成的光电检测器阵列。所有的这些组件通过任一适当的、现在已知或以后发展的连接方法连接到一起，并连接到隔板/外壳770上。光栅710的光栅间距可按如上所述的方法确定，以在特定的实施例中提供期望的入射角度。光源输入光纤705传送入射光束702，光束702被光栅710分裂成入射光束712以及+/-第一级入射光束714和716。光源输入光纤705被准确定位，牢固连接到基底720上，为将入射光束702、712、714、716调整到期望的角度提供特别简单、稳定和可靠的方法。可以意识到，可同样在这所述的其它多个测量系统实施例中采用相似的光纤布置，得到相似的效果。

入射光束712和第一级入射光束714经过滤光器结构740，提供经滤光的光束732和成角度经滤光的光束734。经滤光的光束732和成角度经滤光的光束734经过滤光器结构740分别到达检测器750和751。第一级光束716经过偏转器730，偏转器730经偏转角度偏转光束，为成角度经滤光的光束738相对于滤光器结构740提供期望的入射角度。此外，偏转器730提供与温度相关的偏转角度，如下面的详细描述。在图11所示的示范性实施例中，偏转器730为具有棱镜角731的棱镜。但是在其它各种实施例中，偏转器730可为任何其它现在已知或以后发展的光束偏转元件，包括但不限于无源光学元件和有源光束调整元件例如MEMS装置等，可依照本发明的原理提供与温度相关的偏转角度。成角度经滤光的光束734经过滤光器结构740到达检测器752。

可以意识到，经过滤光器结构的每一个光束路径例如成角度经滤光的光束738名义上具有与成角度经滤光的光束738相同的中心波长温度依存性分布。这样在图9所示的测量系统400中，利用第二滤光器来提供不同的中心波长温度依存性，并提供相关信号用来测定和/或校正滤光器温度误差。相比之下，在测量系统700中，偏转器730提供与温度相关的偏转角度，用来由一个滤光器结构740提供具有不同中心波长温度依存性的滤光路径。可以意识到，这样的滤光路径也提供用来测定和/或校正滤光器温度误差的信号。

在一个示范性实施例中，窄带通滤光器结构740的温度依存性大约为0.001nm/℃。衍射光栅710的衍射角度大约为8度。偏转器730是由光学聚合物例如聚酰胺或同类物制成的棱镜，反射指数大约为1.5，反射指数的温度系数大约为-14×10^-5parts/℃。依据Snell定律，对前面给定的设计参数，35.1度的棱镜角731为成角度经滤光的光束738产生相对于滤光器结构740大约8.0度的入射角度，同样也对成角度经滤光的光束734。此外，依照上述与公式1相关的原理，偏转器730棱镜的反射指数的温度系数将在对成角度经滤光的光束738产生0.001nm/℃的中心波长温度相关性的入射角下产生温度依存性变化。这个对成角度经滤光的光束738的中心波长温度依存性不包括由滤光器结构740带给每个经滤光的光束732、734和738的中心波长温度依存性。这样偏转器730提供与温度相关的偏转角度，用来由一个滤光器结构740提供具有与其它光束路径不同的中心波长温度依存性的滤光路径。可以意识到，这样测量系统700提供用来测定和/或校正滤光器温度误差的信号。

可以意识到，在前面所述的实施例中，偏转器730的温度影响可以大体或完全补偿滤光器结构740的温度影响。这样检测器752输出的信号可大体或完全与滤光器温度特性引起的温度变化无关。这样在各种示范性实施例中，检测器750和752输出的信号用来校正功率变化，见上所述，从检测器752输出的功率校正信号提供高度精确的、名义上与温度误差无关的波长测量。但是，可以意识到，在其它各种实施例中，所要求的是一个信号具有与其它信号不同的温度依存性。这样在其它各种实施例中，使用可选的棱镜角和棱镜材料，可获得各种具有所期望设计特征和折衷方案的组合方案。

更一般地，可以意识到，依照本发明的原理，棱镜角731可被改变，甚至在与各种光栅衍射角结合时“倒转”，用来提供各种可选的温度依存性和可用的标称入射角。在任一种情况下，可以意识到，测量系统实施例例如测量系统700，依照本发明，通过基于穿过滤光器结构的各种光束路径，生成各种传播曲线而保持非常高度地抵制共模误差，同时还提供信号用来克服与各种潜在温度相关的误差。

如上所述，在测量系统700的一个实施例中，偏转器730的温度影响可以大体或完全补偿滤光器结构740的温度影响。这样光电检测器752输出的信号可大体或完全与滤光器温度特性引起的温度变化无关。图12中所示的实施例也使用该原理。

图12是依照本发明原理的、通过一个滤光器结构提供两个温度补偿滤光路径信号的测量系统第五可选实施例框图。如将在下面更详细描述的，图12所示的测量系统800利用与上述那些对应于图4-8的系统，特别是图11所示的测量系统700相同的原理。

测量系统800包括位于基底820上的衍射光栅810、光束偏转器830和832、滤光器结构840以及由两个光电检测器850和852组成的光电检测器阵列。所有的这些组件连接到隔板/外壳870上。光栅810的光栅间距可按如上所述的方法确定，以在特定的实施例中输出的光束之间提供期望的衍射角度。入射光束802被光栅810分裂成入射光束814以及+/-第一级入射光束813和816。与前述实施例相比，在图12所示的实施例中，光栅810还相对入射光束802倾斜，这样产生的每一个光束813、814和816，包括零级光束814，都以期望的角度输出。依照众所周知的光栅公式，可决定光栅810的适当倾斜度，光束813、814和816提供所期望的角度。

在各种示范性实施例中，第一级光束813偏离检测器850和852并被光学隔板(未示出)捕获。第一级光束816经过偏转器830，该偏转器830经偏转角度偏转光束，为成角度经滤光的光束838相对于滤光器结构840提供期望的相应入射角度。此外，偏转器830提供与温度相关的偏转角度，如上所述，并在下面进一步详细描述。入射光束814经过偏转器832，该偏转器832经偏转角度偏转光束，为成角度经滤光的光束834相对于滤光器结构840提供期望的相应入射角度。此外，偏转器832提供与温度相关的偏转角度，如上所述。在图12所示的示范性实施例中，偏转器830和832为具有相应棱镜角831和833的棱镜。但是在其它各种实施例中，偏转器830和832可为任何其它现在已知或以后发展的光束偏转元件，包括但不限于无源光学元件和有源光束调整元件例如MEMS光束调整装置等，可依照本发明的原理提供与温度相关的偏转角度。成角度经滤光的光束834和838分别经过滤光器结构840到达光测器850和852。

可以意识到，在图12所示的测量系统800中，选择光束813、814和816的结构，选择具有温度依存性的偏转器830和832的结构，以使偏转器830和832的温度依存性可大体或完全补偿滤光器结构740对每个相应光束路径的温度影响。这样电检测器750和752输出的信号可大体或完全与滤光器温度特性引起的温度变化无关。

在一个示范性实施例中，窄带通滤光器结构840的温度依存性大约为0.001nm/℃。衍射光栅810具有光栅间距和方向，这样相对于滤光器结构840的垂直面，光束814旋转4度，光束816旋转12度。偏转器830和832为具有与上述图11中的棱镜730相同的材料和光学特性的棱镜。依据Snell定律，对前面给定的设计参数，37.4度的棱镜角831为成角度经滤光的光束838产生相对于滤光器结构840大约-7.0度的入射角度，33.0度的棱镜角833为成角度经滤光的光束834产生相对于滤光器结构840大约-9.34度的入射角度。此外，依照上述与公式1相关的原理，偏转器830和832每个棱镜的反射指数的温度系数将在分别对成角度经滤光的光束838和834产生0.001nm/℃的中心波长温度依存性的相应入射角下产生温度依存性变化。这个对应于成角度经滤光的光束838和834的中心波长温度依存性不包括由滤光器结构840带给每个成角度经滤光的光束834和838的中心波长温度依存性。这样偏转器830和832提供与温度相关的相应偏转角度，用来提供均大体或完全补偿滤光器结构840温度影响的各个滤光路径。这样检测器750和752输出的信号可大体或完全与滤光器温度特性引起的温度变化无关。这样，在各种示范性实施例中，检测器750和752输出的信号用来校正功率变化，如上所述，由检测器750和752输出的功率校正信号可提供高度精确的、名义上与温度误差无关的波长测量。

可以意识到，应依照本发明原理，前面的描述强调这样的实施例：引导光束通过相同的滤光器结构以便最方便、最可靠地提供由以不同入射角经过基本相同滤光器的光束路径产生的至少两个波长测量信号。在这样的实施例中，基本相同的滤光器更可能是完全相同的，因为它们是统一结构和对准的单一滤光器的部分。但是，可以意识到，更一般地，在其它各种示范性实施例中，可依照本发明原理，引导光束以不同的入射角通过基本相同的、或多或少物理隔开的滤光器结构，用来提供波长测量信号，保持了本发明的许多优点。可以意识到，由于减小和消除了基本相同滤光器之间的物理间隔，所以获得本发明的全部优点。这样尽管举例说明和描述了本发明的优选实施例，但可以意识到，在不脱离本发明的精神和范围下，这里可作各种改动。

Claims (21)

1.一种辐射测量装置，用来在输入辐射波长的标称运行范围内测定来自辐射源的辐射的与波长相关的特性，所述与波长相关的特性包括辐射波长和辐射频率中至少一个，该辐射测量装置包括:

第一光束路径，以第一入射角通过波长感应滤光器，第一光束路径接收第一输入辐射光束并输出第一经滤光的光束；

第二光束路径，以第二入射角通过波长感应滤光器，第二光束路径接收第二输入辐射光束并输出第二经滤光的光束，第二入射角与第一入射角不同；

第一探测通道，包括设置成用来接收第一经滤光的光束并输出相应的第一探测信号的辐射检测器；和

第二探测通道，包括设置成用来接收第二经滤光的光束并输出相应的第二探测信号的辐射检测器；

信号处理电路，构造成用于输入至少第一和第二探测信号，并测定与波长相关的特性；

其中:

以第一入射角通过波长感应滤光器的第一光束路径与以第二入射角通过波长感应滤光器的第二光束路径经过相同的波长感应滤光器；并且

辐射测量装置构造成误差补偿构造，其以如下方式提供与波长相关的特性，即，基于从已通过波长感应滤光器的光束获得的多个探测信号值来补偿光束的功率变化和波长感应滤光器的温度变化中至少一个，所述误差补偿构造包括从由组成部分a)、b)和c)构成的组中选出的至少一个构造，其中，这些组成部分限定如下:

a)功率变化补偿构造，其中:

第一光束路径和第二光束路径中的其中一个上的波长感应滤光器的透光率在标称运行范围内随输入辐射波长的减小而减小；并且，第一光束路径和第二光束路径中的另一个上的波长感应滤光器的透光率在标称运行范围内随输入辐射波长的减小而增加；并且，信号处理电路输入第一探测信号的探测信号值S1和第二探测信号的探测信号值S2，并以如下方式测定与波长相关的特性，即，至少部分地基于测定组合信号比来至少补偿功率变化，其中，组合信号比的分子包括S1与S2之差，组合信号比的分母包括S1与S2之和，

b)功率变化补偿构造，其中:

第一光束路径上的波长感应滤光器的透光率和第二光束路径上的波长感应滤光器的透光率在标称运行范围内的变化率相对于输入辐射波长的变化具有相同的符号；并且，第一和第二探测信号在标称运行范围内的每个波长处彼此不同；并且，信号处理电路输入第一探测信号的探测信号值S1和第二探测信号的探测信号值S2，并以如下方式测定与波长相关的特性，即，至少部分地基于测定组合信号比来至少补偿功率变化，其中，组合信号比的分子包括S1与S2之和，组合信号比的分母包括S1与S2之差，和

c)温度变化补偿构造，包括至少一个相应的温度感应光束偏转器，所述至少一个相应的温度感应光束偏转器定位成用于接收辐射输入并将沿相应的光束路径以相应入射角入射的相应辐射输入光束输出通过相应的波长滤光器，该相应的波长滤光器是与第一光束路径和第二光束路径的相同波长滤光器相同的波长滤光器；其中，基于相应的温度感应光束偏转器的温度来调整相应的入射角，这样由温度引起的相应波长感应滤光器的滤光特性的变化导致的相应探测信号的可能变化通过相应入射角的调整而至少部分地补偿，以提供至少部分地补偿温度变化的温度补偿探测信号，并且，其中，信号处理电路以如下方式测定与波长相关的特性，即，基于该温度补偿探测信号和至少一个从已通过与相应波长滤光器相同的波长感应滤光器的光束获得的附加探测信号来至少补偿温度变化。

2、如权利要求1所述的测量装置，其中第一光束路径垂直于波长感应滤光器的表面。

3、如权利要求1所述的测量装置，其中，所述误差补偿构造包括组成部分b)。

4、如权利要求1所述的测量装置，其中，所述误差补偿构造包括组成部分a)。

5、如权利要求1所述的测量装置，其中所有相同的波长感应滤光器包括单一滤光器的部分。

6、如权利要求5所述的测量装置，其中单一滤光器包括带通滤光器。

7、如权利要求6所述的测量装置，其中单一带通滤光器包括小于5纳米的半最大值全宽波长范围。

8、如权利要求1所述的测量装置，其中第一探测通道包括第一辐射检测器，第二探测通道包括第二辐射检测器，并且，第一和第二辐射入射光束包括来自辐射源的单一辐射入射发散光束的分开部分。

9、如权利要求1所述的测量装置，还包括第一光束偏转光栅，其设置用来接收辐射输入并提供沿各自光束路径以各自入射角入射的第一和第二辐射输入光束中的至少一个。

10、如权利要求9所述的测量装置，其中第一光束偏转光栅是传送零级光束和单一第一级衍射光束的炫耀光栅。

11、如权利要求9所述的测量装置，其中第一探测通道包括第一辐射检测器，第二探测通道包括第二辐射检测器。

12、如权利要求9所述的测量装置，还包括第二光束偏转元件，其设置用来接收至少第二经滤光的光束并偏转第二经滤光的光束的至少一部分使其被第二探测通道接收。

13、如权利要求12所述的测量装置，其中第二光束偏转元件由第二光栅组成。

14、如权利要求12所述的测量装置，其中第一探测通道的辐射检测器和第二探测通道的辐射检测器由同一辐射检测器组成，测量装置还包括位于第二光束偏转元件和辐射检测器之间的光闸，利用光闸实现传送第一经滤光的光束以提供第一探测通道和传送第二经滤光的光束以提供第二探测通道之间的转换。

15、如权利要求1所述的测量装置，其中，误差补偿构造包括组成部分a)和b)中之一，并且，测量装置还包括至少一个温度传感元件，其位置靠近相同波长感应滤光器的至少一个，该至少一个温度传感元件输出代表相同波长感应滤光器的温度的温度信号，其中，信号处理电路构造成用于输入温度信号并补偿温度变化的组合信号比。

16、如权利要求1所述的测量装置，其中，误差补偿构造包括组成部分c)、以及组成部分a)和b)中之一，组成部分c)的构造包括:

第一温度感应光束偏转器，其设置用来接收辐射输入并输出沿第一光束路径以第一入射角入射的第一辐射输入光束；和

第二温度感应光束偏转器，其设置用来接收辐射输入并输出沿第二光束路径以第二入射角入射的第二辐射输入光束；

其中:

第一入射角是基于第一温度感应光束偏转器的温度调整的，这样由温度引起的第一光束路径的波长感应滤光器的滤光特性变化导致的第一探测信号的可能变化至少部分地由第一入射角的调整补偿；和

第二入射角是基于第二温度感应光束偏转器的温度调整的，这样由温度引起的第二光束路径的波长感应滤光器的滤光特性变化导致的第二探测信号的可能变化至少部分地由第二入射角的调整补偿。

17、如权利要求1所述的测量装置，其中，误差补偿构造包括组成部分c)、以及组成部分a)和b)中之一，组成部分c)的构造包括:

第三光束路径，以第三入射角穿过波长感应滤光器，第三光束路径接收第三辐射输入光束并输出第三经滤光的光束；

第三探测通道，包括辐射检测器，该检测器被设置用来接收第三经滤光的光束并输出相应的第三探测信号；和

温度感应光束偏转器，设置用来接收辐射输入并输出沿第三光束路径以第三入射角输入的第三辐射输入光束；

其中:

以第一入射角经过波长感应滤光器的第一光束路径、以第二入射角经过波长感应滤光器的第二光束路径和以第三入射角经过波长感应滤光器的第三光束路径经过的是相同的波长感应滤光器；

第三入射角是基于温度感应光束偏转器的温度调整的，这样由温度引起的第三光束路径的波长感应滤光器的滤光特性变化导致的第三探测信号的可能变化至少部分地由第三入射角的调整补偿；并且

信号处理电路构造成用于输入第三探测信号并至少部分地基于该第三探测信号来补偿温度变化的组合信号比。

18、如权利要求1所述的测量装置，其中，误差补偿构造包括组成部分a)和b)中的至少一个，并且测量装置还包括:

第三光束路径，以第三入射角穿过波长感应滤光器，第三光束路径接收第三辐射输入光束并输出第三经滤光的光束；

第四光束路径，以第四入射角穿过波长感应滤光器，第四光束路径接收第四辐射输入光束并输出第四经滤光的光束；

第三探测通道，包括辐射检测器，设置用来接收第三经滤光的光束并输出相应的第三探测信号；和

第四探测通道，包括辐射检测器，设置用来接收第四经滤光的光束并输出相应的第四探测信号；

其中:

以第三入射角经过波长感应滤光器的第三光束路径和以第四入射角经过波长感应滤光器的第四光束路径经过的是相同的波长感应滤光器；

第一和第二光束路径的相同的波长感应滤光器与第三和第四光束路径的相同的波长感应滤光器的温度灵敏度不同；并且

信号处理电路构造成用于输入第一、第二、第三和第四探测信号并以如下方式测定与波长相关的特性，即，基于该第一、第二、第三和第四探测信号来补偿光束的功率变化和波长感应滤光器的温度变化。

19、如权利要求18所述的测量装置，还包括第一光栅和第二光栅，其中:

第一光栅设置用来接收辐射输入，并提供至少一个以第一入射角入射到第二光栅的第一预备辐射输入光束和以第四入射角入射到第二光栅的第二预备辐射输入光束；和

第二光栅设置用来接收第一预备辐射输入光束，并提供沿第一光束路径以第一入射角入射的第一辐射输入光束和沿第二光束路径以第二入射角入射的第二辐射输入光束，和接收第二预备辐射输入光束，并提供沿第四光束路径以第四入射角入射的第四辐射输入光束和沿第三光束路径以第三入射角入射的第三辐射输入光束。

20、如权利要求18所述的测量装置，其中第一和第二光束路径的相同的波长感应滤光器是第一波长感应滤光元件的部分，第三和第四光束路径的相同的波长感应滤光器是第二波长感应滤光元件的部分。

21、如权利要求1所述的测量装置，还包括至少一个光源输入光纤，其第一端用来接收来自辐射源的辐射，而第二端设置用来以相对于至少一个波长感应滤光器的固定直线传送源辐射。

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